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Tecnologia de célula de combustível de hidrogênio para segurança e confiabilidade

Quatro qualidades a serem observadas em conexões para tecnologia de célula a combustível de hidrogênio


Charles Hayes, engenheiro líder de desenvolvimento de novos produtos, e Charles Erml, gerente de produtos da Swagelok

Um dos desafios mais formidáveis ​​no desenvolvimento de veículos e infraestrutura de células de combustível de hidrogênio seguros, confiáveis ​​e à prova de vazamentos é a natureza do próprio hidrogênio.

O hidrogênio é um gás de pequena molécula. Ele pode escapar facilmente pelas menores fendas e se difundir nos materiais projetados para contê-los. No mercado de transporte, o hidrogênio também deve ser armazenado em pressões superiores a 700 bar para atingir a densidade de energia necessária em um veículo. E nas estações de reabastecimento, as rápidas mudanças térmicas e de pressão também podem afetar a integridade do sistema à medida que o hidrogênio sai dos tanques de armazenamento e se descomprime.

Essas circunstâncias destacam a importância do desempenho intransigente em conexões que unem partes críticas de sistemas de combustível de hidrogênio de alta pressão. As conexões para a tecnologia de célula a combustível de hidrogênio devem demonstrar algumas características críticas para uma confiabilidade duradoura. Embora as conexões tradicionais de cone e rosca tenham sido usadas nessas aplicações, existem opções de alto desempenho disponíveis hoje. Neste post, examinaremos de perto algumas características específicas de design de encaixe que contribuem para o desempenho ideal na tecnologia de hidrogênio:

Estanqueidade da vedação


Dada a tendência do hidrogênio de deslizar pelas menores aberturas, a estanqueidade da vedação do gás e a resistência a vazamentos são alguns dos critérios de desempenho mais importantes para uma conexão.

Muitas conexões de tubos tradicionais são vedadas ao longo de uma única linha de contato em uma superfície estreita. Embora esse selo possa ser suficiente para muitos líquidos e alguns gases, a natureza implacável do hidrogênio pode comprometê-lo uma vez em operação. A vibração também pode ser um desafio para uma vedação de linha única.

Um projeto melhor para contenção de hidrogênio envolve duas linhas de contato em superfícies de vedação mais longas – uma ao longo do tubo e outra ao longo da conexão. Essas superfícies de contato devem ser levemente inclinadas, fornecendo o nível de tensão otimizado para manter uma vedação intransigente. Certos estilos de conexões de tubo de duas ponteiras podem fornecer esse tipo de integridade de vedação.


Força de preensão


A força de aderência da conexão no tubo é outro atributo de desempenho importante que garante que a conexão possa suportar as altas pressões necessárias para o reabastecimento de hidrogênio, bem como a vibração significativa que pode ocorrer em um veículo em movimento.

Uma garra mecânica combinada usando duas anilhas é um projeto ideal para uma conexão de hidrogênio para criar uma garra robusta. Uma anilha frontal endurecida pode permitir que a conexão entre fisicamente na tubulação, criando uma classificação de pressão muito alta. Enquanto isso, um design exclusivo de virola traseira permite uma pequena quantidade de movimento no encaixe (chamado de “mola de volta”), mantendo a aderência e a força. Esse tipo de projeto cria uma resistência robusta à vibração, ideal tanto para operação em veículos quanto para uso em infraestrutura de reabastecimento, onde compressores e condições dinâmicas podem criar vibrações significativas.

Um design mecânico de duas ponteiras que permite o retorno elástico também ajuda as conexões a suportar mudanças térmicas dramáticas que podem fazer com que os materiais cresçam ou encolham. Durante o reabastecimento, as temperaturas do gás hidrogênio podem variar de -50ºC até a temperatura ambiente, causando problemas no desempenho convencional do cone e do encaixe de rosca.

Instalação simples


O design de encaixe adequado é fundamental para um desempenho confiável em uso. Também pode levar a eficiências significativas de instalação e montagem para OEMs de veículos com célula de combustível de hidrogênio e desenvolvedores de infraestrutura de hidrogênio.

Algumas garras mecânicas disponíveis são projetadas com cartuchos pré-montados. Isso permite que os instaladores usem ferramentas comuns e requer treinamento mínimo para obter uma montagem rápida e à prova de erros. Quando comparado com as conexões tradicionais de cone e rosca, que são tradicionalmente usadas em sistemas de reabastecimento de hidrogênio, um design inovador como o Swagelok ® As conexões da série FK apresentam benefícios significativos de instalação e montagem.

Uma conexão confiável de cone e rosca requer equipamento especializado, altos níveis de habilidade do instalador e normalmente leva 5x mais tempo para montar e testar do que a série Swagelok FK. A fabricação de veículos tem tudo a ver com velocidade, e a facilidade de instalação será fundamental à medida que a infraestrutura de hidrogênio aumentar. A tecnologia de ajuste correta pode acelerar ambos.


Integridade do material


O controle de corrosão é importante em qualquer aplicação em que se espera que as conexões de tubos forneçam um desempenho confiável. A corrosão ocorre quando um átomo de metal é oxidado por um fluido, levando a uma perda de material na superfície do metal. Essa perda reduz a espessura da parede de um componente e o torna mais propenso a falhas mecânicas. Em aplicações de transporte de hidrogênio, veículos e bombas de reabastecimento são regularmente expostos a condições climáticas adversas, tornando especialmente importante que os materiais de construção possam resistir à corrosão problemática durante toda a vida útil do sistema.

Além disso, as moléculas de hidrogênio podem ser absorvidas na superfície do aço inoxidável e os átomos individuais se separam. Eles têm um diâmetro muito pequeno e podem se difundir na rede cristalina austenítica formada pelos átomos muito maiores de ferro, níquel, cromo e molibdênio. A difusão em aço inoxidável 316/316L ocorre muito lentamente, mas em altas pressões e por longos períodos de tempo, quantidades significativas de átomos de hidrogênio podem se acumular na rede. Este fenômeno é conhecido como fragilização por hidrogênio. Mesmo quando presentes em grandes concentrações, os átomos de hidrogênio não tendem a afetar negativamente a força de 316/316L. No entanto, se trincas de fadiga estiverem presentes em um componente, os átomos de hidrogênio tornariam mais fácil para essas trincas se propagarem através de um componente. Ligas de baixo desempenho podem ser mais suscetíveis a esse problema a longo prazo.

Concentrações mais altas de cromo e níquel nos componentes do sistema de fluido podem ajudar na defesa contra a corrosão comum e a fragilização por hidrogênio, retendo maior ductilidade em componentes críticos. A Sociedade Americana de Testes e Materiais (ASTM) exige um mínimo de 10% de níquel em aço inoxidável 316. No entanto, foi demonstrado que o aço inoxidável 316 de alta qualidade com 12% mínimo de níquel é mais adequado para os desafios exclusivos do hidrogênio.

Atendendo às necessidades dos sistemas de hidrogênio


Embora haja uma variedade de conexões de tubo de compressão e outros estilos que podem ser aplicáveis ​​a sistemas de combustível de hidrogênio, muito poucos são projetados para satisfazer as muitas demandas de desempenho exclusivas que as aplicações de hidrogênio exigem.

As conexões da série FK da Swagelok são a exceção. Com um design patenteado, certificações EC-79 e EIHP e classificações de pressão de até 1050 bar, a série FK foi projetada especificamente para uso em aplicações de hidrogênio. Fabricados em aço inoxidável 316 com teor mínimo de 12% de níquel, eles têm sido usados ​​em uma ampla variedade de indústrias e aplicações desde sua introdução e continuam sendo uma escolha ideal para os veículos e infraestrutura de hoje e de amanhã.

A viabilidade a longo prazo do transporte de hidrogênio dependerá de veículos e infraestrutura de hidrogênio seguros, confiáveis ​​e duráveis. Selecionar e especificar os componentes certos para sistemas críticos pode ajudar a atingir esses objetivos. Interessado em aprender mais? Entre em contato com a Swagelok hoje para discutir como podemos ajudar com suas necessidades de transporte.



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